[논문 리뷰] Nonlinear Model Predictive Control for Robust Bipedal Locomotion Exploring CoM Height and Angular Momentum Changes

Jiatao Ding, Chengxu Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중심 질량(CoM) 높이 변화, 각운동량 적응, 발자국 조정을 통합한 수정된 역전파운지 모델을 사용하여 강건한 이족 보행을 위한 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 이차제약을 가진 이차계획문으로 해석 가능한 균형 제약 조건을 수립하여 순차적 이차계획법을 통해 효율적으로 해결함으로써 시뮬레이션에서 외부 교란 상황에서도 다양한 걸음걸이를 생성하고 균형 복구 능력을 향상시킨다.

ABSTRACT

Human beings can make use of various reactive strategies, e.g. foot location adjustment and upper-body inclination, to keep balance while walking under dynamic disturbances. In this work, we propose a novel Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) framework for versatile bipedal gait pattern generation, with the capabilities of footstep adjustment, Center of Mass (CoM) height variation and angular momentum adaptation. These features are realized by constraining the Zero Moment Point motion with considering the variable CoM height and angular momentum change of the Inverted Pendulum plus Flywheel Model. In addition, the NMPC framework also takes into account the constraints of footstep location, CoM vertical motion, upper-body inclination and joint torques, and is finally formulated as a quadratically constrained quadratic program. Therefore, it can be solved efficiently by Sequential Quadratic Programming. Using this unified framework, versatile walking pattern with exploiting time-varying CoM height trajectory and angular momentum changes can be generated based only on the terrain information input. Furthermore, the improved capability for balance recovery under external pushes has been demonstrated through simulation studies.

연구 동기 및 목표

• 동적 교란 하에서 다양한 이족 보행 패턴 생성을 위한 통합 제어 프레임워크 개발
• 변동하는 중심 질량 높이와 각운동량 제어를 통합하여 균형 복구 능력 향상
• 실시간 교란 피드백이 필요 없이 오직 지형 정보만을 입력으로 사용하여 보행 패턴 적응 가능하게 하기
• 이차제약을 가진 이차계획문으로 제어 문제를 수식화하여 계산 효율성 확보
• 발자국 위치, 관절 토크, 상체 기울기 등의 물리적 제약 조건을 하나의 최적화 프레임워크에 통합하기

제안 방법

• 이중 보행 보행의 역학을 제어 가능한 각운동량을 가진 역전파운지 플러스 플라이휠 모델로 표현
• 시간에 따라 변하는 중심 질량 높이와 각운동량 변화를 고려하여 영점 모멘트(ZMP) 제약 조건 재정의
• 비선형 역학 및 물리적 제약 조건을 다룰 수 있도록 이차제약을 가진 이차계획문(QCQP)으로 제어 문제 수식화
• 보행 패턴 생성을 위해 실시간으로 효율적으로 해결하기 위해 순차적 이차계획법(SQP) 사용
• 발자국 위치, 중심 질량 수직 운동, 상체 기울기, 관절 토크 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합
• 지형 입력만을 기반으로 보행 패턴을 생성하여 적응적이고 강건한 보행 구현 가능

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 MPC는 어떻게 중심 질량 높이 변화와 각운동량 제어를 포함하여 이족 보행의 균형을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 일관된 NMPC 프레임워크는 물리적 제약 조건 하에서 발자국 조정, 중심 질량 높이 변화, 상체 기울기 조절을 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ3 각운동량 적응을 통합할 경우 외부 교란 상황에서 균형 복구 능력은 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 생성된 최적화 문제는 실시간 동적 보행 패턴 생성을 위해 얼마나 효율적으로 해결될 수 있는가?
• RQ5 이 프레임워크를 통해 오직 지형 정보만으로도 강건하고 다양한 보행 패턴을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 NMPC 프레임워크는 시간에 따라 변하는 중심 질량 높이와 각운동량 변화를 효과적으로 활용하여 다양한 보행 패턴을 성공적으로 생성하였다.
• 시뮬레이션에서 외부 충격 상황에서 기준 방법 대비 균형 복구 성능이 크게 향상되었다.
• 발자국 조정, 중심 질량 높이 변화, 각운동량 적응이 하나의 최적화 프레임워크 내에서 성공적으로 통합되었다.
• 이차제약을 가진 이차계획문으로 수식화된 덕분에 순차적 이차계획법을 통해 문제를 효율적으로 해결하였다.
• 실시간 교란 감지에 의존하지 않고 오직 지형 입력만으로도 보행 패턴 생성이 가능하여 의존도를 감소시켰다.
• 상체 기울기 및 관절 토크 제약 조건의 통합은 생성된 보행 패턴의 물리적 타당성과 안정성을 향상시켰다.